地铁运营隧道上方深基坑开挖卸载施工的监控

1、施 工地铁运营隧道上方深基坑开挖卸载施工的监控王如路 刘 海(上海地铁运营有限公司摘 要 上海轨道交通8号线淮海路车站的北风井基坑工程位于运营中的1号线区间隧道上方,基坑挖土深度9.1m,隧道上方因土体开挖引起的卸载达16t 。根据计算分析,若不采取特殊设计施工措施,工程施工引起的地铁隧道变形将不能满足地铁安全正常运行。地铁运营单位、工程建设设计施工单位进行深入研究分析,改进设计和施工方法,对施工全过程跟踪监控,克服诸多困难,在工程进展顺利的同时保障了地铁安全。关键词 地铁隧道 基坑开挖 结构变形 监测 监控1 工程概况 淮海路北风井工程是上海轨道交通基本网络线路8号线淮海路车站的附属工程,该

2、工程由一个风井和一个出入口组成。基坑占地面积约1300m 2,南北长约50m,东西宽约30m 。基坑位于淮海路站北端头井西侧,为地下一层结构。基坑挖土深度超过9.1m,隧道上方的土体开挖卸载16.3t 。在基坑坑底以下7m 处有地铁1号线上行线隧道,此处是一转弯半径为350m 的小半径曲线隧道,距离旁通道近8m 左右,基坑与8号线淮海路车站的平面相对关系见图1示。在隧道上方进行如此大深度的基坑施工将会引起坑底土层中的隧道发生较大回弹,如何控制回弹还少有可供借鉴的经验。通过计算分析得知,如不采取切实可靠措施,基坑施工引起的隧道变形将不能满足地铁安全运营要求。图1 北风井平面图2 设计施工对策工程

3、地面标高为+3.10m ,坑底标高- 6.0m,基坑开挖深度9.1m,1号线上行线区间隧道顶标高为-13.25-13.94m,隧道底部为-19.45-20.14m,地铁隧道上部覆土约为16.3m,基坑坑底距隧道顶部7.37.9m 。隧道顶部是¼淤泥质粘土,隧道位于½1层粉质粘土层内,隧道底部以下为½2层砂质粉土,施工稍有不慎极易造成流砂和渗漏水。经过地铁专家多次深入分析研究,对原设计进一步深化和优化,以确保隧道变形控制在地铁运营安全许可范围内。2.1 基坑围护结构北风井结构东侧借用淮海路车站1m 厚的地下连续墙,车站结构施工已完成,其刚度较大,其它三面采用

4、1;650SMW 工法桩作围护结构。一般SM W 工法桩桩长18m,型钢长17.75m,按照/隔一插一0设置型钢。围护结构下方有地铁隧道通过的部位,SMW 工法桩要短一些,桩长为14.45m,内插型钢长14.45m,要求按照/隔一插二0放置型钢,并慢速插入。由于此处插入比较小,为保证基坑开挖期间基坑安全稳定性,需对围护结构的外侧一定宽度进行适量加固。2.2 地基加固及控制坑底隆起措施为保证基坑稳定性和减少施工对隧道的影响,须对坑底以下5m 至坑底上1m 范围内采用SMW 机械进行满堂加固,水泥掺入量不少于20%,在开挖之前对加固质量进行抽检,以确保加固质量和工程安全。坑底抗隆起措施除对基坑底部

5、及以下5m 范围进行加固之外,并沿隧道纵向两侧0.7m 水平距离实施SM W 工法桩,内密集插入26m 的型钢,并在型钢适当位置设置好预埋件,以期在开挖时与基坑主体结构联接成控制隧道上隆的抗拔桩。对隧道顶部0.52m 距离范围内的土体加固在列车停止运营的时间段内实施旋喷,要求桩位定位和旋喷桩深度精确、压力控制得当,既保障加固效果又减少隧道变形。对紧靠地铁结构的土体进行加固和抗隆起的桩体施工都必须等到列车停止运行后进行。实施顺序:沿隧道的纵向实施/先近后远0的顺序施工,最靠近隧道一排内插型钢的SMW 桩对深于隧道部分须掺入1%3%的早强剂,在列车达到前2h 完成,以期加固过的土体已经具有相当的强

6、度。在接下来的挖土过程中,抗拔桩与加固土体、基坑底板等共同抵抗坑底回弹,控制隧道的隆起。SM W 围护与地下墙接头处、阴角处均采用二重管旋喷搭接,并加强加固期间对地铁隧道变形的同步监测。土体加固和抗隆起设置的平面、剖面见图2 示。图2 地基加固平面及剖面图2.3 基坑土体开挖及支撑基坑开挖采用明挖顺筑法施工,共分二道支撑三层土体开挖,支撑体系为两道609钢支撑。为保证施工期间尽量保持较多的土体压在隧道上方,在保障基坑安全的前提下,尽量提高第三层土体的开挖深度,以更好地控制隧道的回弹。总体开挖支撑原则:每一层土体的开挖都必须严格按照/分区、分层、分块、对称、平衡、限时0开挖支撑,首先挖除距隧道较

7、远部位的土体,再挖距离隧道较近的土体,最后开挖隧道上方的土体。2.4 隧道上方第三层土单块土体施工要求开挖顺序,先挖除距隧道较远的土体,并快速形成底板,待其底板与下部桩体形成可靠抗力体系后,再进行隧道上方的底板施工。总体要求:沿隧道纵向按3m 宽9m 长将隧道上方土体分成许多单个挖土单元,这样,地铁上方土体开挖和结构施工都是按照一定的顺序分块进行的。每块挖土时间控制在3h 以内,绑扎钢筋及立模板的时间在3h 内,后一幅底板钢筋与前一幅钢筋之间的联接是通过钢筋接驳器来实现。为缩短绑扎钢筋时间,应预先加工钢筋,在完成绑扎钢筋后,及早完成混凝土浇筑。混凝土应具有早强、微膨胀性能,浇筑混凝土的时间控制

8、在1h 内。这样,单块土体开挖至浇筑混凝土完成时间控制在7h 内。在浇筑混凝土完成后的12h 内完成砂袋回压,回压高度不少于第三层土层的厚度。对单块土体的施工时间严格限制在当日的21时次日5时内,一则为了隧道安全,二则人工检查、监测隧道方便。支撑及第三层土体开挖分块情况见图3示。2.5 信息化指导施工由于施工风险性大,必须对监测数据的传输、反馈、措施对应、地铁结构安全状态及施工状况实施即时的全过程监控。在监测手段上,采用自动化程度和精度较高的监测系统对运营线路的结构安全状况进行即时监测,高危施工单元进行要点施工,对可能危及地铁安全的施工及对策给出了相应的处置预案。3 施工过程中的隧道变形监控及

9、变形分析淮海路北风井基坑工程自2003年6月9日土体加固施工,顶板浇筑2004年4月13日,整个工程施工工期历时9个多月,主要施工工况及过程见表1所示。表1 施工顺序表序 号施工内容施工起止时间备 注1在隧道上方实施近距离旋喷加固2003.06.192003.08.09距离隧道0.52m 加固2隧道上方搅拌桩加固2003.08.262003.09.28坑底以下至旋喷桩之间3基坑围护结构SM W 工法桩施工2003.10.092003.11.05基坑的西、北、南三面4隧道以外搅拌桩加固2003.11.272003.12.245第一层挖土及支撑2004.01.302004.02.05层高2m 6第

10、二层挖土及支撑2004.02.062004.02.17层高4m 78910111213141516171819第三层土体开挖结构施工隧道东、西侧土体开挖2004.02.182004.02.24层高3m隧道上方7#块土体2004.03.012004.03.01隧道上方5、6#块土体2004.03.042004.03.04隧道上方8#块土体2004.03.052004.03.05隧道上方3、4#块土体2004.03.072004.03.07隧道上方9#块土体2004.03.082004.03.08隧道上方10#块土体2004.03.112004.03.11隧道上方11#块土体2004.03.142

11、004.03.14隧道上方2#块土体2004.03.182004.03.18隧道东面一侧的底板施工2004.02.25挖土结束立即施工底板隧道西面一侧的底板施工2004.02.27隧道上方各块底板施工2004.03.012004.03.18开始挖土后9小时内顶板浇筑2004.04.13顶板浇筑前一直有压载 图3 支撑及最后一层土体分块开挖情况在施工过程中,较为关键的施工控制如下:3.1 抗拔桩的施工根据地铁保护要求,为减少控制坑底以下地层及地铁隧道的隆起,沿隧道两侧设置抗拔桩,采用SM W 工法桩插入200500的型钢(隔一插一形式,桩插入地面以下深度为26m 。抗拔桩深已经超过隧道底部深度6

12、m 。由于深部加固过的土体强度在短时间内比原状土的强度大为降低,为保证施工期间运营隧道安全,深度超过隧道底部的部分桩体在施工时掺加了早强剂。当列车第一列车通过时,加固过的土体已经有了相当的强度,使施工对隧道的影响更小。在SMW 工法桩施工过程中,距离隧道最近的桩边缘仅为0.7m ,桩施工对隧道产生挤压,使隧道的收敛变形发生变化。根据自动监测表明,隧道环向变形有如下规律:隧道竖向呈向上变大趋势,变形最大量为2.5mm,隧道腰部呈向内压缩趋势,最大变形量1.7mm 。在抗拔桩施工期间,隧道总体呈上抬趋势。3.2 土体加固实施对隧道顶部以上0.5 2.0m 范围内实施旋喷加固,以期改善土体力学性能,

13、控制坑底土体回弹。在隧道拱顶部横向宽度3m 范围进行旋喷,加固桩径为1.2m,水泥掺入量为20%,旋喷压力为28M Pa 。在列车停止运行后的旋喷过程中,如此高的压力引起隧道发生了较大的变形,旋喷直接影响的隧道环缝发生了渗漏水,立即通知现场重新调整施工参数,调低了压力至14MPa,使隧道的收敛变形大大降低,避免了此类危险的再次发生。基坑内其他部位则采用SM W 桩满堂加固。加固深度:坑底以下5m 至坑底以上1m 深度范围内水泥掺入20%,其余为8%,坑底以下局部与旋喷桩搭接成一体。由于隧道安全重要性和隧道对变形非常敏感,旋喷桩和近隧道的SMW工法桩施工都是在列车停止运行后进行的,围护结构和坑内

14、地基加固的施工自2003年6月19日开始,同年12月24日完成。3.3土体开挖支撑及结构施工(1基坑内第一层土挖至地表以下2.6m,为减少或控制挖土引起隧道隆起,有意将三道支撑改为两道支撑,将第一道支撑下压。第一道支撑于2004年1月31日2月5日全部完成。(2第二层土体开挖至标高- 3.5m,安装第二道支撑。于2004年2月6日2月17日完成。此时,部分隧道已经发生了最大3mm的隆起。(3第三层隧道两侧土体的开挖及结构施工时,第三层A、B两块土体分别位于隧道东西两侧,开挖2004年2月18日2月23日完成,2月23日晚浇A块素混凝土垫层,B块素混凝土垫层在2月24日晚完成。2月25日2月27

15、日绑扎A、B两块底板钢筋,2月27日完成B块底板混凝土,2月28日完成A块底板混凝土。为控制隧道两侧大底板的回弹带动隧道,要求施工单位加快挖土施工及随之而来的绑扎钢筋和混凝土浇筑施工。基坑的南、北两侧同时出土,基坑内有3台0.25m3的小型挖土机,南侧有一台长臂挖机,北侧一台吊机。隧道两侧土体的开挖施工同样会对隧道的隆起加剧。(4第三层隧道上部土体的开挖及结构施工时,在完成A、B两块土体后,开始进行隧道正上方留土的挖除及结构施工,按照施工可行性及地铁保护要求将隧道上部40m的留土又分成10小块分别施工。3.4隧道上方最后一层土体的施工隧道上方第三层土体也是最后一层土体,层高3m宽9m。根据/分

16、层、分块、对称、平衡、限时0开挖支撑的施工要求,沿着地铁隧道的纵向从中间开始施工第一块土体,然后分别向南北两个方向分块施工。单块土体的挖土面积大约为3040m2左右,先挖除隧道垂直投影线以外的隧道上方土体,最后挖除隧道正上方的土体,挖土时间严格控制在3小时以内。每一块的施工必须在有要点施工的情况下进行,施工内容主要包括土体开挖、底板钢筋绑扎和立模及混凝土浇筑,施工时间严格控制在21时至次日5时之内。在此日7:00之前完成底板上的压载,压载量以不少于同等重量的砂袋代替,挖土施工期间对隧道进行人工和自动监测,及时反馈和分析监测数据,并设定控制隧道变形值。由于基坑内部进行了满堂加固,为快速施工,素混

17、凝土垫层全部取消。每一单块的钢筋混凝土需与临近的小块联接,单块与A、B两块联接,为缩短单块施工时间,单块之间全部采用接驳器进行联接。隧道两侧的H型钢割至底板底,H型钢上割空,穿入8根«25钢筋并于底板联接,与底板形成一个整体。第三层1号线上行线隧道上方的土体开挖及底板的施工时间是2004年3月1日3月18日之间。单个块施工顺序:7#(3/1、5#和6#(3/4、8#(3/5、3#和4# (3/7、9#(3/8、10#(3/11、11#(3/14、2#(3/ 18。风井的侧墙结构及顶板于2004年4月13日浇筑完成,5月底恢复地面绿化。3.5施工过程中隧道结构变形分析对隧道上方0.5

18、2.0m处进行旋喷加固的过程中,隧道略有上抬,上抬量0.30.5mm。在对基坑底至隧道上方2.0m范围内的土体进行搅拌桩加固时,使隧道产生明显向下沉降趋势,隧道沉降增量达到0.7 1.0m m。在搅拌桩和围护结构完成后,隧道的下沉累计量达到- 1.0- 1.9mm。土体开挖前各种施工引起的隧道最大隆起和沉降差量达到3.0mm。第一层土体开挖结束时,隧道隆起增量为0.450.5mm。第二层土体开挖结束时,隧道隆起增量为12mm,使隧道累计隆起量达到1.11.5mm。第三层土体开挖结束时,隧道隆起增量为2 3.94mm,一般增量为3 3.9mm之间,隧道累计隆起量达到3.54 5.1m m。在隧道

19、一侧挖土同样会引起隧道的隆起。整个挖土期间引起隧道的隆起量为3.55 6.45mm,一般为5.9 6.3 mm。在底板结束后,结构回筑至顶板的20天施工中,隧道继续呈隆起趋势,隆起增量为0.50.85 mm,隧道最大隆起累计量达到5.72mm。之后,进行防水施工和地面绿化恢复,隧道隆起呈下沉趋势,此后的46天内隧道隆起量下降了1.1 1.4mm,下沉到2.6 4.6mm。整个施工期间地铁隧道的沉降与隆起情况见图4和历时沉隆曲线图5。4结论经过地铁监护、地铁建设、设计施工等多家单位9个多月的协力工作,对工程实施了全过程严格监控,较为顺利地完成了淮海路北风井基坑工程的施工,确保了地铁隧道安全。在整

20、个设计施工过程中,有如下几点经验可供类似工程借鉴和参考。 图4不同施工过程隧道的沉降和隆起曲线图 图5 不同施工过程隧道沉降和隆起历时变化情况(1建设设计施工单位对工程风险性的深刻认识和重视是保障地铁运营安全和施工安全的第一步。(2适当对隧道上方及两侧土体进行加固以及增加抗隆起设计是控制隧道隆起是一种较为有效的控制手段。(3应优化加固施工参数控制施工对隧道变形的影响。地基加固目的是为了改善土体力学参数,以期加固土体与抗拔桩共同作用控制隧道变形。但是,不恰当的施工参数和工序反而会引起隧道的更大变形。因此,加固施工是一柄双刃剑。在实际应用中,一定清楚要加固的目的和如何实现这一非常具体的施工问题。(

21、4尽最大可能缩短整个工程施工工期和严格控制单块土体的施工时间同时十分重要。尽管在施工过程中密切注意各施工工序之间的搭接,缩短了单块的施工时间,使单块土体开挖到砂袋回压时间控制在79h 内,对控制隧道隆起变形十分关键,但数据监测表明,一旦开挖土体,隧道随之产生持续变形。(5不同土层施工和不同块体施工都会对相邻块体(不管是否已经施工下方隧道的持续隆起变形,隧道变形持续到结构完成后相当长一段时间。(6隧道两侧的土体开挖会立即引起隧道的上抬;即使在底板完成并已压载的情况下隧道还会呈继续隆起的趋势。(7基坑坑底隆起量与基坑开挖深度之比小于0.8j 。(8利用自动化即时监测系统掌握隧道变形情况,对监控施工

22、保证地铁运营安全十分重要。最后要特别指出的是:这类工程毕竟对地铁的安全运行风险太大,非万不得已不为之,本文总结的经验对研究隧道上方卸载后的回弹规律及治理方法可能有一定的借鉴价值,但若应用于类似本文所述工程如没有一个极其认真绝对负责的全过程监控核心组织是不可能实现的。致谢:白文波、赵兴波、黄海滨、朱正峰,地铁建设公司,市一建公司。(收稿日期:2004-11-18近期建设规划轨道交通名称对照表线路名称对应线路轨道交通1号线R1线轨道交通2号线R2线轨道交通3号线M 3线(明珠一期轨道交通4号线M 4线(明珠二期轨道交通5号线莘闵线轨道交通6号线L4线轨道交通7号线M 7线轨道交通8号线M 8线轨道

23、交通9号线R4线轨道交通10号线M 1线轨道交通11号线R3线轨道交通12号线M 2线轨道交通13号线M 5线摘自5上海市城市快速轨道交通近期建设规划6UNDERGROUND ENGINEERING AND TUNNELS ( Q uarterly N o1. M ar. 2005 Abstracts of Main Contents ( 1 Study on Planning of Chongqing Rail Transit Line No. 3 ( 1st Stage Zhang Anfeng et al . The Chongqing Rail Transit Line No. 3 i

24、s a rail transit trunk through downtown area in the South to North direction. It intersects the Line No. 2, which is under construction, to form the basic frame of fast rail transit system in Chongqing. This paper describes the outline, master plan, construction scale, rail transit mode and vehicle

25、model selection of the Line No. 3 ( 1st stage , and also analyzes the characteristics of the Project. ( 6 Design of Traffic Organization at Puxi Access of Shangzhong Road River crossing Tunnel Zheng Quan et al . The Shangzhong Road Tunnel is a key river crossing project in the south sect ion of the

26、Middle Ring. The traffic organization at Puxi access and peripheral roads is one of the key points to effectively play the function of Middle Ring, alleviate the traffic pressure of the neighboring river crossing facilit ies and reduce the traffic shock in the peripheral area. In light of the integr

27、ated planning, the relationship between the access of tunnel and peripheral roads is studied and the function of peripheral roads is changed to guarantee the smooth traffic in the Middle Ring and Shangzhong Road Tunnel. Starting at parts, the traffic bottleneck between tunnel and connected roads is

28、eliminated by proper design of tunnel access and adjustment traffic control strategy, so that the need of river crossing in the surrounding area is satisfied and the influence made by the Tunnel is re duced. ( 9 Study on Implementation Scheme of Track Connection between Rail Transit Line No. 8 and E

29、xisting Line No. 1 He Yongchun et al . Based on the analysis of necessity and existing status of switch construct ion for track joint with existing line, several alternative schemes of switch construction for track joint between Shanghai Rail Transit Line No. 8 ( Line M8 and existing Line No. 1 at t

30、he People. s Square Station are studied. Thus the construction or ganization and technical process of integral track bed scheme without timber as well as plan and vertical ar rangement are recommended. ( 12 Discussion on of Soil Roadbed Filling Standard for Shanghai Rai l Transit Zhang Xinquan In ur

31、ban rail transit, soil roadbed is mainly used for surface section line, including surface main line, de pot and stabling yard. The soil roadbed is an important component of urban rail transit. In this paper, the standard of soil roadbed filling often used in Shanghai rail transit lines and the corre

32、sponding standards used in railway are compared and analyzed. Combined with the characteristics in Shanghai area, some suggestions of filling material of roadbed and compactness criteria for soil roadbed filling of Shanghai rail transit line are provided. ( 16 Influence of Glue Film on Test Results

33、of Lateral Pressure Coefficient K0 of Soft Clay Yang Binjuan et al . The comparison tests show that the material quality and thickness of glue film used in K0 meter have obvi ous influence on the test results of soft clay. ( 19 Design of Overpass at Fute Road in Shanghai Waigaoqiao Free Trade Zone C

34、hen Genyue et al . The design characteristics of overpass at Fute road in Shanghai Waigaoqiao Free Trade zone Area is briefly described to provide a reference for the design of similar bridge. ( 22 Moni toring and Control of Excavation, Unloading Construction of Deep Foundation Pit over Metro Tun ne

35、l in Operation Wang Rulu et al . 5地下工程与隧道62005 年第 1 期 55 The excavation pit of north ventilation shaft at Huaihai Road Station of Shanghai Rail Transit Line No. 8 is located over the tunnel of Line No. 1, which is in operation. The excavation depth of the pit is 9. 1m and the unloading caused by the

36、 excavation over the tunnel is about 16t/ m2. According to calculation and analysis, if there are no special measures in design and construction, the deformation of metro tunnel caused by the con struction of the Project will seriously impede safe operation of the Metro. As metro operation company,

37、de sign institute and construction company of the Project jointly conducted study and research, the design and construction procedure were improved. The whole course of construct ion is followed up and monitored, re sult ing in overcoming many difficulties, carrying out construction smoothly and gua

38、ranteeing safe operation of the Metro. (27 Application of SMW Method in Deep Foundation Pit of Underpass Project at South Pudong Road Zhangyang Road Wu Xiaojiang et al . Based on the design and construction of this underpass foundation pit by SMW method in Shanghai, the deformat ion and influence on

39、 surroundings caused by pit excavation in construct ion are analyzed. It provided precious experience for the application of new support ing structure of SMW Method, which combines two functions ( earth retaining and water stop into one, in the soft soil area in Shanghai. ( 30 Protective Technology

40、for Pipeline during Rectangle Pipe Jacking Pu Derong The rectangle pipe jacking is adopted in the construct ion of No. 1 and 2 Access of South Pudong Road Station of Shanghai Rail Transit Line No. 4. The receiving shaft is narrow and close to the pipeline and the jacking pipe is also close to the pi

41、peline of a large diameter, resulting in many difficulties in construction. This paper describes the technical measures adopted for soil consolidation and portal soil consolidation in working shaft and receiving shaft of jacking pipe in order to protect the pipeline. ( 34 Design of Shanghai Outer Ri

42、ng Immersed Tunnel Ventilation Design Lao Hengsheng et al . Through comprehensive comparison, the paper describes rational selection of vent ilation modes, design principle of ventilation, calculation of pollutant emission and air demand, equipment selection and technical measures for disaster prevention and environmental protection. ( 39 Design of Drainage Route for Shanghai Rail Transit Line No. 5 Huang Renyong The paper mainly describes the design of drainage system of Xinmi